深冷惰氣漿液防滅火實(shí)驗(yàn)研究

張辛亥，竇 凱，張國偉，程望收，李勛廣，朱 輝，趙 斌，陳 飛，楊少雄

（1.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司 凱達(dá)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

我國煤炭資源豐富，但由于煤層地質(zhì)賦存條件、采掘技術(shù)、通風(fēng)管理及煤炭自身特性的影響，每年因自燃直接燒損量達(dá)10～13.6 Mt[1-2]。煤炭自燃災(zāi)害造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，甚至人員傷亡，其治理一直以來是研究的熱點(diǎn)問題[3-5]。

近年來，世界各國在治理地下煤火方面做了大量的工作，相繼提出了黃泥灌漿、煤層注水、均勻、阻化劑、高倍泡沫、采空區(qū)注惰氣和凝膠防滅火技術(shù)等[6-13]。其中向采空區(qū)注入惰性氣體作為預(yù)防煤層自燃的主要方法，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。王剛等通過結(jié)合巖層移動(dòng)隨機(jī)介質(zhì)理論，建立了影響半徑r 的數(shù)學(xué)模型, 據(jù)此確定出LN2壓注的合理位置[14]；丁香香通過對采空區(qū)注低溫N2防滅火進(jìn)行數(shù)值模擬，得出地面鉆孔注氮模型，發(fā)現(xiàn)其惰化降氧效果好[15]；宋宜猛通過對比N2和CO2防滅火的區(qū)別，得出CO2防滅火技術(shù)效果更好，并通過注氮量計(jì)算公式推導(dǎo)出礦井注LCO2的計(jì)算公式[16]；張長山、張辛亥等應(yīng)用滅火列車將液態(tài)CO2儲(chǔ)罐運(yùn)輸至井下高溫區(qū)域和自燃危險(xiǎn)區(qū)，通過直接灌注LCO2起到快速降溫和降氧的作用[17]；郝朝瑜等利用Fluent 數(shù)值模擬，分別研究了低溫CO2的不同注入流量與溫度對采空區(qū)氧化帶內(nèi)最高點(diǎn)溫度、氧化帶寬度和最大高溫區(qū)域溫度的影響[18]；高玉坤等利用Fluent 模擬采空區(qū)滯留干冰釋放低溫CO2防滅火技術(shù)，發(fā)現(xiàn)低溫CO2迅速布滿采空區(qū)，防滅火效果好[19]；翟小偉等采用LCO2實(shí)驗(yàn)裝置研究了不同粒徑下的煤樣降溫規(guī)律，得出粒徑越小降溫效果越好[20]；馬勵(lì)等通過分析聯(lián)合惰氣防滅火技術(shù)對發(fā)火區(qū)域氣體濃度的影響，進(jìn)一步證實(shí)CO2防治效果優(yōu)于N2，并通過建立CO2氣-液兩相管路輸送熱力學(xué)模型，模擬出滿足LCO2直接安全輸送的工藝參數(shù)[21-22]；孫可明等通過研究超臨界CO2注入采空區(qū)防滅火規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超臨界CO2注入后，迅速發(fā)生相變吸收大量熱量降溫效果顯著[23]；韓兵等研制出新型地面固定式復(fù)合惰氣防滅火系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)踐證明可快速有效防治煤層自燃[24]；Ann G.Kim 等通過現(xiàn)場LN2和LCO2混合制作而成的深冷漿液對俄亥俄州廢棄著火的煤矸石山進(jìn)行滅火，取得了良好的效果[25-26]。

由于氣態(tài)N2、氣態(tài)CO2的降溫效果弱，LCO2物化特性及其灌注工藝的特點(diǎn)，導(dǎo)致其易出現(xiàn)分層、無法大量連續(xù)灌注以及管路出口結(jié)冰堵塞等問題，影響井下防滅火效果。基于此，為彌補(bǔ)惰氣防滅火技術(shù)的不足，急需研究降溫性能好、降氧惰化性強(qiáng)且便于輸送的新型防滅火技術(shù)，利用研制的深冷惰氣漿液制備實(shí)驗(yàn)裝置，將LCO2利用超低溫LN2轉(zhuǎn)化為固體小顆粒，分散在LN2中形成惰氣漿液，以固液兩相形式輸入高溫區(qū)域，使CO2以固態(tài)小顆粒形式附著火在高溫物體表面進(jìn)行降溫、降氧，優(yōu)化礦井防滅火工藝[27-28]。通過自主設(shè)計(jì)的深冷惰氣漿液制備及松散煤體降溫試驗(yàn)系統(tǒng)，測定不同參數(shù)下的防滅火效果，為煤自然火災(zāi)防治技術(shù)提供相關(guān)依據(jù)和參考。

1 惰氣漿液注入高溫煤體實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

CO2的相態(tài)變化是研究深冷惰氣漿液的基礎(chǔ)，溫度和壓強(qiáng)的變化引起CO2相態(tài)的轉(zhuǎn)變，在三相點(diǎn)（壓力0.52 MPa，溫度－56.6 ℃）處，固液氣三相共同存在。本實(shí)驗(yàn)通過低溫LN2的輸入提供冷源，與LCO2混合后溫度急速下降至三相點(diǎn)以下，CO2發(fā)生相變生成干冰小顆粒，在LN2的推動(dòng)下，避免了干冰大量聚集堵塞管路，以固液氣三相形式流動(dòng)注入高溫箱體。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用自主設(shè)計(jì)的深冷惰氣漿液制備及松散煤體降溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要由惰氣漿液制備系統(tǒng)、松散煤體升溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3 部分組成。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of experimental setup

惰氣漿液制備系統(tǒng)包括自增壓罐體、閥門、氣相輸送管路、液相輸送管路、二氧化碳分散裝置（圓盤狀擋板，擋板上開設(shè)多個(gè)通孔）、緩沖罐、放空閥、可視化輸出管路、溫度變送器、壓力變送器組成。松散煤體升溫系統(tǒng)由箱體、箱蓋、加熱帶、耐高溫填充材料、熱電偶組成，箱體尺寸為600 mm×400 mm×200 mm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度傳感器、壓力表、溫度表、CO 和O2傳感器、T3 主機(jī)和筆記本電腦組成。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

首先利用顎式碎煤機(jī)篩選粒徑為0～0.9、0.9～3、3～5、5～7、7～9 mm 的煤樣各100 g 組成混合煤樣，放入升溫箱內(nèi)。檢查惰氣漿液制備系統(tǒng)管路氣密性。采用加熱帶加熱箱體溫度至120 ℃停止，記錄升溫過程中CO 的生成量和O2的消耗量，同時(shí)打開LN2閥門5 d，使管路通入低溫LN2提供冷源，持續(xù)通入2 min 后，打開LCO2閥門5b, LCO2經(jīng)CO2分散裝置，以液滴形式注入可視化混合罐中，與低溫LN2混合制備出惰氣漿液。當(dāng)發(fā)生堵管時(shí)，關(guān)閉液相輸入管路閥門，開啟氣相管路閥門，注入高壓N2和CO2擠壓堵塞位置，確保漿液正常流動(dòng)。通過加熱帶穩(wěn)定加熱升溫箱內(nèi)煤體至120 ℃停止加熱并打開閥門5f通入漿液，記錄該過程中CO 生成量、O2消耗量和3個(gè)測點(diǎn)的溫度變化情況。最后以LN2和LCO2作為對比實(shí)驗(yàn)，分別打開閥門5b 和5c，重復(fù)上述操作。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同流量下溫度變化規(guī)律

在靠進(jìn)加熱帶位置處布置2#測點(diǎn)，并將溫度傳感器探入煤體中，測定實(shí)驗(yàn)過程中煤體溫度變化規(guī)律，在溫度加熱至120 ℃，壓強(qiáng)8 MPa 時(shí)，將流量分別為0.1、0.3、0.5 kg/h 的惰氣漿液通入箱體內(nèi)，80 s后關(guān)閉閥門5f 停止?jié){液注入，觀察2#測點(diǎn)處的溫度變化情況，得出的不同流量下煤體溫度隨時(shí)間變化如圖2。

圖2 不同流量下煤體溫度隨時(shí)間變化Fig.2 Coal temperature changes with time under different flow rates

由圖2 可知，通過對不同流量下注入惰氣漿液后，煤體降溫特性分析，流量越大，高溫煤體溫度下降速度越快，流量為0.5 kg/h 時(shí)，溫度下降速度最快，在85 s 時(shí)下降至最低溫度-117 ℃，流量為0.1 kg/h 時(shí)，溫度下降速度最慢，在105 s，下降至最低溫度-100 ℃。由于惰氣漿液中CO2成分的存在，在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)箱后，CO2密度大，下沉入底部并且發(fā)生汽化潛熱，溫度越低，可利用的汽化潛熱能量越大，吸收熱量越多。在停止?jié){液注入時(shí)，溫度繼續(xù)下降至最低溫度開始緩慢回升溫度，最后在-25 ℃穩(wěn)定，表明惰氣漿液恒溫性能好。

2.2 不同測點(diǎn)下溫度變化規(guī)律

為準(zhǔn)確測定出實(shí)驗(yàn)箱在惰氣漿液注入前后的溫度變化情況，在實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)布置測點(diǎn)定時(shí)通過溫度傳感器測得溫度變化情況，在箱體靠近漿液入口處設(shè)置1#測點(diǎn)，測定漿液注入瞬間溫度變化情況，在靠進(jìn)加熱帶位置處布置2#測點(diǎn)，并將溫度傳感器探入煤體中，測定實(shí)驗(yàn)過程中煤體溫度變化規(guī)律，箱體中心位置布置3#測點(diǎn)，測定箱體溫度變化情況。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件為加熱煤體溫度至120 ℃，注入流量0.5 kg/h，壓強(qiáng)8 MPa，持續(xù)注入漿液過程中的不同測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化如圖3。

圖3 不同測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化Fig.3 The temperature of different measuring points changes with time

由圖3 可知，測定溫度隨注入時(shí)間增加均呈快速下降趨勢，其中1#測點(diǎn)在前85 s 內(nèi)下降速度最快，2#測點(diǎn)次之，3#測點(diǎn)下降速度最慢，下降速度分別為2.8、2.5、2.3 ℃/s。隨著惰氣漿液的注入1#測點(diǎn)溫度發(fā)生迅速下降，因?yàn)?#測定位于注入口附近，在漿液注入過程中，固液氣三態(tài)同時(shí)最先接觸1#測點(diǎn)，低溫作用下使得1#測點(diǎn)溫度快速降低，同時(shí)，注入漿液在該過程中迅速發(fā)生相變，吸收量熱量使得測定溫度進(jìn)一步降低。在25 s 后，2#測點(diǎn)溫度開始快速下降，這是因?yàn)槲镔|(zhì)傳熱效應(yīng)的作用，通過熱量傳遞的方式使得煤體溫度開始降低，同時(shí)由于CO2的重氣特性以及固相的干冰沉積如箱體底部，大量吸收煤體熱量，煤體溫度進(jìn)一步快速下降。3#測點(diǎn)溫度在50 s 開始快速下降，表明從該時(shí)刻開始?xì)怏w擴(kuò)散至箱體最里側(cè)，在相變和熱傳遞的作用下，該處溫度開始下降，低溫氣體擴(kuò)散至整個(gè)箱體。當(dāng)溫度達(dá)到最低溫度時(shí)，持續(xù)通入惰氣漿液，箱體中各測點(diǎn)溫度保持穩(wěn)定。

2.3 注入前后氣體變化規(guī)律

為研究注入惰氣漿液前后對實(shí)驗(yàn)箱中煤體自燃的影響，通過CO 和O2傳感器記錄在惰氣漿液注入前后CO 的生成量和CO2的消耗量，注入惰氣漿液前后氣體變化規(guī)律如圖4。

圖4 注入惰氣漿液前后氣體變化規(guī)律Fig.4 The gas changes before and after inert gas slurry injection

由圖4（a）可知，在注入前，隨著溫度的升高，CO生成量成指數(shù)增加趨勢，CO 含量在70 ℃開始迅速增大，表明在該溫度下，煤體進(jìn)入快速氧化階段，CO的生成量和O2體積分?jǐn)?shù)的減少量呈相對應(yīng)的趨勢。隨著反應(yīng)的進(jìn)行O2體積分?jǐn)?shù)逐漸下降，在溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，CO 生成量達(dá)到1 426×10-6，O2體積分?jǐn)?shù)降低至13.7%，在溫度升高的過程中，煤體發(fā)生氧化反應(yīng)消耗O2且生成CO 和CO2等氣體擠壓實(shí)驗(yàn)箱中的O2，因此CO 體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，O2體積分?jǐn)?shù)逐漸下降。

由圖4（b）可知，在通入惰氣漿液后，CO 體積分?jǐn)?shù)在短暫升高后迅速降低，且箱體中由于大量N2和CO2的存在，使得箱體中剩余的O2被迅速的擠出，O2體積分?jǐn)?shù)幾乎為0。

2.4 液氮和液態(tài)二氧化碳降溫實(shí)驗(yàn)

為準(zhǔn)確對比惰氣漿液的優(yōu)越性，采用相同實(shí)驗(yàn)條件，分別進(jìn)行單獨(dú)LN2和LCO2注入高溫松散煤體的降溫規(guī)律和停注后自然升溫過程的箱體中3 個(gè)測點(diǎn)的溫度變化規(guī)律。不同注入材料下溫度變化規(guī)律如圖5。

圖5 不同注入材料下溫度變化規(guī)律Fig.5 The temperature change law of different injected materials

由圖5 可知，3 種降溫趨勢基本一致，LN2注入后，利用自身低溫性質(zhì)降溫，冷量快速擴(kuò)散，降溫速度最快，短時(shí)間內(nèi)箱體溫度下降至-150 ℃，但在80 s 停止注入后，短時(shí)間內(nèi)溫度回升至5 ℃。LCO2注入后相變潛熱吸收箱體中大量熱量，使得箱體溫度快速下降，并且煤體對CO2的吸附性強(qiáng)使得停止注入后箱體溫度回溫相對LN2較緩慢，恒溫性強(qiáng)，溫度回升至-10 ℃。惰氣漿液兼具兩者優(yōu)點(diǎn)，滅火效果更好。

3 結(jié) 論

1）不同流量下的惰氣漿液降溫效果不同，大流量漿液注入條件相對于小流量防滅火效果更好。

2）實(shí)驗(yàn)箱體中不同位置測點(diǎn)溫度變化規(guī)律不同，靠近進(jìn)口處溫度下降最快。

3）自主設(shè)計(jì)惰氣漿液制備系統(tǒng)和高溫松散煤體降溫系統(tǒng)，通過分別注入LN2、LCO2和惰氣漿液，觀察不同測點(diǎn)處溫度傳感器的數(shù)值變化規(guī)律，得出防滅火效果惰氣漿液強(qiáng)于LCO2，LCO2強(qiáng)于LN2。